DE102017009613A1 - Method for operating an internal combustion engine of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem in wenigstens einem Brennraum (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird, welches mittels einer Vorkammerzündkerze (16), welche eine über mehrere Überströmöffnungen (13) mit dem Brennraum (12) verbundene Vorkammer (18) aufweist, gezündet wird, wobeieine Abgasrückführung durchgeführt wird, mittels welcher dem Brennraum (12) Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) zugeführt wird; undThe invention relates to a method for operating an internal combustion engine (10) of a motor vehicle, in which in at least one combustion chamber (12) of the internal combustion engine (10), a fuel-air mixture is formed, which by means of a pre-chamber spark plug (16), which one over several Overflow (13) with the combustion chamber (12) connected pre-chamber (18) is ignited, wherein an exhaust gas recirculation is performed, by means of which the combustion chamber (12) exhaust gas of the internal combustion engine (10) is supplied; and
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine of a motor vehicle, in particular a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1.
Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, ist beispielsweise bereits der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.Object of the present invention is to develop a method of the type mentioned in such a way that a particularly low-emission operation of the internal combustion engine can be realized.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Abgasrückführung durchgeführt wird, mittels welcher dem Brennraum Abgas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Das dem Brennraum zugeführte Abgas der Verbrennungskraftmaschine wird auch als Inertgas bezeichnet beziehungsweise kann in dem Brennraum als Inertgas wirken, um dadurch beispielsweise die Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) besonders gering halten zu können. Im Rahmen der Erfindung ist unter dem Zuführen des Abgases in den Brennraum zu verstehen, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch und das dem Brennraum zugeführte, zusätzlich zu dem Kraftstoff-Luft-Gemisch vorgesehene Abgas gleichzeitig in dem Brennraum aufgenommen sind, sodass das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und in der Folge verbrannt wird, während das Inertgas (das rückgeführte Abgas) in dem beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum aufgenommen ist. Zusätzlich ist bei ottomotorischem stöchiometrischem Betrieb in Kombination mit hoher Inertgasbeimischung die Kombination aus hohem Wirkungsgrad, Leistungsdichte und der gleichzeitigen Nutzung einer einfachen Abgasnachbehandlung mittels 3-Wege Katalysators möglichIn order to develop a method specified in the preamble of claim 1 type such that a particularly low-emission operation of the internal combustion engine can be realized, it is inventively provided that an exhaust gas recirculation is carried out, by means of which the combustion chamber exhaust gas of the internal combustion engine is supplied. The exhaust gas supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine is also referred to as an inert gas or can act as an inert gas in the combustion chamber, thereby being able to keep the nitrogen oxide emissions (NO x emissions) particularly low, for example. In the context of the invention, supplying the exhaust gas into the combustion chamber means that the fuel-air mixture and the exhaust gas supplied to the combustion chamber and provided in addition to the fuel-air mixture are simultaneously accommodated in the combustion chamber, so that the fuel Air mixture ignited and is burned in the sequence, while the inert gas (the recirculated exhaust gas) is received in the example formed as a cylinder combustion chamber. In addition, in Otto engine stoichiometric operation in combination with high Inertgasbeimischung the combination of high efficiency, power density and the simultaneous use of a simple exhaust aftertreatment by 3-way catalyst is possible
Ferner ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Vorkammer ein zumindest annähernd stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird, indem Luft und Kraftstoff über wenigstens ein von den Überströmöffnungen unterschiedliches, zusätzlich dazu vorgesehenes Zuführelement direkt in die Vorkammer eingebracht werden. Somit werden die Luft und der Kraftstoff separat von den Überströmöffnungen in die Vorkammer direkt eingebracht, sodass der auch als Brennstoff bezeichnete Kraftstoff und die Luft nicht etwa über die Überströmöffnungen, sondern über das von den Überströmöffnungen unterschiedliche, zusätzlich zu den Überströmöffnungen vorgesehene Zuführelement und beispielsweise insbesondere zusätzlich zu dem gegebenenfalls auch Inertgas aufweisenden Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer eingebracht werden. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Zündung in der Vorkammer der Vorkammerzündkerze realisiert werden, wobei gleichzeitig in dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum ein besonders hoher Inertgas-Anteil realisiert werden kann.Furthermore, it is provided according to the invention that an at least approximately stoichiometric fuel-air mixture is formed in the prechamber by introducing air and fuel directly into the prechamber via at least one feed element provided separately from the overflow openings. Thus, the air and the fuel are introduced directly from the overflow into the antechamber, so that also referred to as fuel fuel and the air not about the overflow, but on the different from the overflow, provided in addition to the overflow supply element and for example in addition to the possibly also inert gas having fuel-air mixture are introduced from the combustion chamber in the prechamber. In this way, a particularly advantageous ignition in the antechamber of the prechamber spark plug can be realized, wherein at the same time in the combustion chamber, also referred to as the main combustion chamber, a particularly high proportion of inert gas can be realized.
Es wurde gefunden, dass es bei einem hohen Inertgasanteil in der Vorkammer der Vorkammerzündkerze zu einem hohen Zündverzug sowie zu einer langsamen Flammenausbreitung in der Vorkammer kommen kann. Ein resultierender Druckanstieg in der Vorkammer ist deswegen nur sehr gering. Somit haben aus der Vorkammer austretende Fackelstrahlen einen nur geringen Impuls und eine nur geringe Energie. In der Folge ist die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum beziehungsweise bei dieselähnlichen Brennverfahren der Gas-Jets in dem Brennraum durch die aus der Vorkammer austretenden Fackelstrahlen bei hohen Inertgasanteilen nur eingeschränkt möglich. Diese Probleme und Nachteile können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden, sodass sich einerseits ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und andererseits eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisieren lassen. Somit kann bei hohen Inertgaszumischungen im Hauptbrennraum eine besonders gute Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet werden.It has been found that with a high inert gas content in the antechamber of the prechamber spark plug, a high ignition delay as well as a slow flame propagation in the prechamber can occur. A resulting increase in pressure in the antechamber is therefore very small. Thus, torch jets emanating from the antechamber have only a small impulse and a low energy. As a result, the ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber or diesel-like combustion process of the gas jets in the combustion chamber by the emerging from the antechamber torch jets at high inert gas is only limited possible. These problems and disadvantages can be avoided by means of the method according to the invention, so that on the one hand a particularly low-emission operation of the internal combustion engine and on the other hand a reliable ignition of the fuel-air mixture can be realized. Thus, a particularly good smoothness of the internal combustion engine can be ensured at high inert gas in the main combustion chamber.
Insbesondere ist in der Vorkammer ein gegenüber dem Brennraum deutlich reduzierter Inertgasanteil beziehungsweise eine deutlich reduzierte Inertgasmasse vorgesehen, da die Luft und der beispielsweise als Brenngas ausgebildete Kraftstoff in die Vorkammer direkt eingebracht werden.In particular, a significantly reduced inert gas content or a significantly reduced inert gas mass is provided in the prechamber, since the air and the fuel formed, for example, as fuel gas are introduced directly into the prechamber.
Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine ein Gasmotor, welcher für eine mobile Anwendung verwendet wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Luft und der beispielsweise als Brenngas ausgebildete Kraftstoff zur Versorgung der Vorkammer mit einem hohen Druck bereitgestellt werden, wobei diese Bereitstellung der Luft und des Kraftstoffes beispielsweise aus fahrzeugeigenen Systemen erfolgt. Beispielsweise wird die Luft als Druckluft bereitgestellt beziehungsweise in die Vorkammer, insbesondere direkt, eingebracht, wobei die Druckluft beispielsweise von einem fahrzeugseitigen Pneumatiksystem bereitgestellt wird. Das Pneumatiksystem umfasst beispielsweise wenigstens einen Luftpresser, welcher insbesondere bei einem Nutzfahrzeug zum Einsatz kommen kann. Insbesondere wird die Luft beispielsweise mit einem Druck in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 15 bar bereitgestellt und insbesondere in die Vorkammer eingebracht. Preferably, the internal combustion engine is a gas engine used for a mobile application. It has proven to be particularly advantageous if the air and the fuel formed, for example, as fuel gas are provided at a high pressure to supply the prechamber, this provision of the air and of the fuel taking place, for example, from in-vehicle systems. For example, the air is provided as compressed air or introduced into the pre-chamber, in particular directly, wherein the compressed air is provided for example by a vehicle-side pneumatic system. The pneumatic system comprises, for example, at least one air compressor, which can be used in particular in a commercial vehicle. In particular, the air is provided, for example, with a pressure in a range of from 10 bar inclusive up to and including 15 bar and in particular introduced into the prechamber.
Der beispielsweise als Brenngas ausgebildete Kraftstoff wird beispielsweise ebenfalls von einem fahrzeugeigenen System bereitgestellt. Insbesondere wird als der Kraftstoff, welcher direkt in die Vorkammer eingebracht wird, ein gasförmiger Kraftstoff wie beispielsweise CNG (Compressed Natural Gas) oder LNG (Liquefied Natural Gas) verwendet. Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kraftstoff mit einem Druck von mehr als 5 bar in die Vorkammer eingebracht wird.For example, the fuel formed as fuel gas, for example, is also provided by an in-vehicle system. In particular, as the fuel which is directly introduced into the prechamber, a gaseous fuel such as CNG (Compressed Natural Gas) or LNG (Liquefied Natural Gas) is used. It has proved to be advantageous if the fuel is introduced at a pressure of more than 5 bar in the prechamber.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Nutzung der Vorkammerzündkerze als gespülte Vorkammerzündkerze, da die Vorkammer mit der zusätzlich zu dem in dem Brennraum gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisch vorgesehenen Luft und mit dem zusätzlich zu dem im Brennraum gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisch vorgesehenen Kraftstoff gespült wird, indem der Kraftstoff und die Luft separiert voneinander direkt in die Vorkammer eingebracht werden. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise die Nutzung der gespülten Vorkammerzündkerze zur Realisierung eines dieselähnlichen Brennverfahrens, insbesondere eines dieselähnlichen Gas-Brennverfahrens. Dabei wird beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine als Gasmotor betrieben, welcher mittels eines gasförmigen Kraftstoffes betrieben wird. Der gasförmige Kraftstoff wird genutzt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum zu bilden. Dabei wird beispielsweise der gasförmige Kraftstoff mittels einer Hochdruck-Direkteinblasung, insbesondere direkt, in den beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum eingeblasen. Um die Stickoxid-Emissionen besonders gering halten zu können, wird Abgas als Inertgasmasse rückgeführt und in den als Hauptbrennraum ausgebildeten Brennraum eingebracht beziehungsweise eingeleitet.The inventive method allows the use of the pre-chamber spark plug as rinsed Vorkammerzündkerze, since the prechamber is flushed with the provided in addition to the fuel-air mixture formed in the combustion chamber and the fuel provided in addition to the fuel-air mixture formed in the combustion chamber, by the fuel and the air separated from each other are introduced directly into the antechamber. Thus, the inventive method allows, for example, the use of the purged pre-chamber spark plug for realizing a diesel-like combustion process, in particular a diesel-like gas combustion process. In this case, for example, the internal combustion engine is operated as a gas engine, which is operated by means of a gaseous fuel. The gaseous fuel is used to form the fuel-air mixture in the combustion chamber. In this case, for example, the gaseous fuel is blown by means of a high-pressure direct injection, in particular directly, in the example designed as a cylinder combustion chamber. In order to keep the nitrogen oxide emissions particularly low, exhaust gas is recycled as inert gas mass and introduced or introduced into the combustion chamber designed as the main combustion chamber.
Ferner ist es denkbar, die Vorkammerzündkerze zur Realisierung eines ottomotorischen Brennverfahrens, insbesondere eines ottomotorischen Gasbrennverfahrens, mit sehr hohem Inertgasanteil im Brennraum zu nutzen. Damit wird eine sehr hohe Inertgas-Beimischung ermöglicht, und es kann durch verringerte Wärmeverluste eine Wirkungsgradverbesserung erreicht werden.Furthermore, it is conceivable to use the prechamber spark plug for realizing an Otto engine combustion method, in particular a gas engine combustion method with a very high inert gas content in the combustion chamber. This allows a very high inert gas admixture, and it can be achieved by reducing heat loss efficiency improvement.
Insbesondere liegen der Erfindung die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Moderne, mit Fremdzündung arbeitende Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise für Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen verwenden für die Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads sowie Leistungsdichte durch Absenkung der Bauteilbelastung und/oder zur Stickoxid-Emissionsreduzierung die Ladungsverdünnung durch rückgeführtes Abgas, das heißt durch Durchführung einer Abgasrückführung (AGR). Die Nutzung des Abgases als Intergas im Brennraum mit den genannten Vorteilen erlaubt die Nutzung eines stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Gemisches wodurch die Verwendung eines einfachen Abgasnachbehandlungssystems mittels Drei-Wege Katalysator möglich wird. Die Fremdzündung dieser Gemische in einer Vorkammer stellt eine besondere Herausforderung dar. Beispielsweise für mobile Anwendungen in Nutzfahrzeugen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Nutzung der Vorkammerzündkerze mit Einbringung beziehungsweise Einblasung von Luft und Kraftstoff, insbesondere Brenngas, aus einer fahrzeugseitigen Versorgung zur Reduzierung der Inertgasmasse in der Vorkammer für eine optimierte Zündung vorgeschlagen. Dabei sind folgende Betriebsweisen von Gasmotoren aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt:
- a) Zweistoffgasmotoren, welche auch als Dual-Fuel bezeichnet werden
- b) dieselähnlich betriebene Gasmotoren
- c) ottomotorisch betriebene Gasmotoren mit stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Verhältnis sowie magere, das heißt mit Luftüberschuss betriebene Gasmotoren.
- a) dual-fuel gas engines, which are also referred to as dual-fuel
- b) diesel-powered gas engines
- c) Otto engine gas engines with stoichiometric fuel-air ratio and lean, that is operated with excess air gas engines.
Bei den ottomotorischen Brennverfahren, wie sie oben unter c) genannt wurden, wird ein zündfähiges, beispielsweise als Brenngas-Luft-Gemisch ausgebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch entweder vorgemischt in den Brennraum eingeleitet oder während einer Kompressionsphase im Brennraum durch direkte Einbringung, insbesondere Einblasung, des beispielsweise als gasförmiger Kraftstoff ausgebildeten und auch als Brennstoff oder Brenngas bezeichneten Kraftstoffs erzeugt. Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird anschließend durch Fremdzündung eingeleitet. Es können unterschiedliche Zündverfahren verwendet werden. Eine Option ist die Zündung durch eine Vorkammerzündkerze.In the Otto engine combustion method, as mentioned above under c), an ignitable, for example, designed as a fuel gas-air mixture fuel-air mixture is either premixed introduced into the combustion chamber or during a compression phase in the combustion chamber by direct introduction, in particular injection, of the example formed as a gaseous fuel and also referred to as fuel or fuel gas produced fuel. The combustion of the fuel-air mixture is then initiated by spark ignition. Different ignition methods can be used. An option is the ignition by a Vorkammerzündkerze.
Für dieselähnliche Gas-Brennverfahren, wie sie oben unter b) genannt wurden, kann nach
Für die verbesserte Zündung von mageren Gemischen wird vor allem bei stationär betriebenen Otto-Motoren als Alternative zu einer konventionellen Zündkerze eine Vorkammerzündkerze verwendet, wie es beispielsweise in
Es existieren auch Vorkammer-Varianten, die das Ziel haben, die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer unabhängig von dem Hauptbrennraum zu gestalten. Bei mit Luftüberschuss, das heißt mager betriebenen Motoren, wird Brennstoff in die Vorkammer zugegeben. So wird die Luftmenge in der Vorkammer verringert und die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer nähert sich der für die Zündung idealen stöchiometrischen Gemischzusammensetzung an. Dieses Verfahren wird auch bei dieselähnlichen Gas-Brennverfahren verwendet, wie es beispielsweise in der
- - mit einem Einblasventil direkt in die Vorkammer (zum Beispiel
GB 9221970 US 2012 103 302 DE 11 2011 103 649 - - mit Direkteinblasung in den Hauptbrennraum und Einbringen von Brennstoff durch die Überströmöffnungen (zum Beispiel
WO 2006/018291 - - Einbringen von Spülgas durch Kapillare (zum Beispiel
DE 10 2005 005 851 EP 1 143 126
- - with a blow-in valve directly into the antechamber (for example
GB 9221970 US 2012 103 302 DE 11 2011 103 649 - - With direct injection into the main combustion chamber and introducing fuel through the overflow openings (for example
WO 2006/018291 - - Introducing purge gas through capillary (for
example DE and10 2005 005 851 EP 1 143 126
Die Gemischbildung in der Vorkammer kann mithilfe einer durch außermittig angebrachte Überströmkanäle erzeugten Drallströmung unterstützt werden, wie dies beispielsweise in der
Des Weiteren existiert die Möglichkeit, zusätzlich oder alternativ zu Kraftstoff auch Luft oder Inertgas durch die oben beschriebenen Varianten in die Vorkammer einzubringen. Hierbei soll vor dem Einbringen des Brenngases durch Einbringen von Luft beziehungsweise Inertgas das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer verdünnt und damit eine Vorentflammung vor der eigentlichen Funken- beziehungsweise Fremdzündung verhindert werden (zum Beispiel
Ottomotorische und dieselähnliche Gas-Brennverfahren werden nach heutigem Stand der Technik meist mit Inertgas im Hauptbrennraum betrieben. Das Inertgas kann zum einen aus einer inneren Abgasrückführung als auch aus einer äußeren Abgasrückführung stammen. Durch den Betrieb mit Inertgas im Brennraum können bei dem ottomotorischen Brennverfahren die Verbrennungstemperaturen und damit die Wandwärmeverluste gesenkt werden. Damit verbunden ist eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads. Der Inertgasanteil im Hauptbrennraum liegt beispielsweise bei modernen Ottomotoren im Bereich von bis zu 30 Prozent Massenanteil. Bei dem dieselmotorischen Gas-Brennverfahren wird Inertgas im Brennraum zur Reduktion des Sauerstoffpartialdrucks für die Absenkung der Stickoxid-Emissionen genutzt. Mit erhöhtem Inertgasanteil im Brennraum erhöht sich jedoch auch der Inertgasanteil in der Vorkammer. Der Inertgasanteil in der Vorkammer führt zu:
- - ansteigendem Zündverzug
- - Reduktion der in der Vorkammer enthaltenen Energiemenge
- - Verringerung der Brenngeschwindigkeit.
- - Increasing ignition delay
- - Reduction of the amount of energy contained in the antechamber
- - Reduction of burning speed.
Damit ist die resultierende Druckerhöhung der Vorkammer durch die permanente Verbindung mit dem Hauptbrennraum über die Überströmöffnungen reduziert. Der Impuls und die thermische Energie der austretenden Fackelstrahlen sind geringer. Die aus den Fackelstrahlen resultierende Zündung des Hauptbrennstoffgemischs (ottomotorisches Brennverfahren) oder der Hochdruck-Brennstoff-Strahlen (dieselähnliches Brennverfahren) sind verschlechtert.Thus, the resulting pressure increase of the prechamber is reduced by the permanent connection with the main combustion chamber via the overflow. The momentum and the thermal energy of the exiting torch jets are lower. The ignition of the main fuel mixture resulting from the torch jets (Otto engine combustion method) or the high-pressure fuel jets (diesel-like combustion method) are deteriorated.
Für Motoren mit Inertgasbeimischung im Hauptbrennraum ist die alleinige Zumischung von Brenngas in die Vorkammer nicht für bessere Zündbedingungen ausreichend:
- - Bei stöchiometrischem Gemisch im Hauptbrennraum (ottomotorisches Brennverfahren mit AGR) ist die Einbringung von Brennstoff in die Vorkammer nicht zielführend. Es entsteht ein Brenngas-Luft-Gemisch mit zu hohem Brenngasanteil (fettes Gemisch), das schlechter zündet.
- - Bei dieselähnlichen Gas-Brennverfahren mit Vorkammerzündung liegen Luft und Inertgas im Hauptbrennraum und damit auch in der Vorkammer vor. Durch Zudosieren von Brenngas wird zündfähiges Gemisch in der Vorkammer erzeugt. Der Inertgasanteil in der Vorkammer verschlechtert jedoch auch hier die Zündbedingungen.
- - With a stoichiometric mixture in the main combustion chamber (Otto-cycle combustion process with EGR), the introduction of fuel into the pre-chamber is not expedient. The result is a fuel gas-air mixture with too high proportion of fuel gas (rich mixture), which ignites worse.
- - In diesel-like gas combustion process with prechamber ignition, air and inert gas are present in the main combustion chamber and thus also in the prechamber. By metering in fuel gas, an ignitable mixture is produced in the prechamber. However, the inert gas in the antechamber deteriorates the ignition conditions here.
Daher sollte bei beiden Brennverfahrenskonzepten mit Inertgasanteil im Hauptbrennraum in die Vorkammer Luft und Brenngas eingebracht werden, um den Inertgasanteil in der Vorkammer bei Zündzeitpunkt zu reduzieren. Dies kann nach Stand der Technik (
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit in der Vorkammer der Vorkammerzündkerze der beispielsweise als Gasmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine ein stöchiometrisches, beispielsweise als Brenngas-Luft-Gemisch ausgebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit gegenüber dem Hauptbrennraum deutlich reduzierter Inertgasmasse gebildet, wobei ferner eine Abgasrückführung und somit eine Inertgasbeimischung durchgeführt werden, in deren Zuge Inertgas beziehungsweise Abgas der Verbrennungskraftmaschine in den Hauptbrennraum eingeleitet wird, sodass im Hauptbrennraum nicht nur das Kraftstoff-Luft-Gemisch, sondern zusätzlich Inertgas aufgenommen ist. In der Folge kann eine besonders vorteilhafte Zündung gewährleistet werden.In the context of the inventive method, a stoichiometric, for example, designed as a fuel gas-air mixture fuel-air mixture is formed with respect to the main combustion chamber significantly reduced inert gas in the antechamber of Vorkammerzündkerze, for example, designed as a gas engine internal combustion engine, further comprising an exhaust gas recirculation and thus a Inertgasbeimischung be performed, in the course of which inert gas or exhaust gas of the internal combustion engine is introduced into the main combustion chamber, so that not only the fuel-air mixture, but also inert gas is added in the main combustion chamber. As a result, a particularly advantageous ignition can be ensured.
Beispielsweise treten drei, insbesondere voneinander separate, Ströme beziehungsweise Fluidströme in die Vorkammer ein:
- - ein erster der Ströme umfasst beispielsweise ein stöchiometrisches Brenngas-Luft-Gemisch mit λ = 1 und Inertgas beziehungsweise ein Luft-Inertgas-Gemisch, wobei der erste Fluidstrom über die Überströmöffnungen aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer einströmt
- - ein zweiter der Ströme umfasst den zuvor genannten, beispielsweise als gasförmiger Kraftstoff beziehungsweise Brenngas ausgebildeten Kraftstoff
- - der dritte Strom umfasst die zuvor genannte Luft
- - A first of the streams includes, for example, a stoichiometric fuel gas-air mixture with λ = 1 and inert gas or an air-inert gas mixture, wherein the first fluid flow flows through the overflow from the main combustion chamber into the prechamber
- - A second of the streams comprises the aforementioned, for example, formed as a gaseous fuel or fuel gas fuel
- - The third stream includes the aforementioned air
Der erste Strom wird dabei über die Überströmöffnungen aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer eingebracht. Der zweite und dritte Strom jedoch wird nicht aus dem Hauptbrennraum und nicht über die Überströmöffnungen, sondern separat dazu in die Vorkammer eingebracht.The first stream is introduced via the overflow from the main combustion chamber in the prechamber. However, the second and third stream is not introduced from the main combustion chamber and not via the overflow, but separately in the antechamber.
Als der genannte Kraftstoff und somit beispielsweise als Hauptbrennstoff sowie für die Spülung der Vorkammer kommen vorzugsweise gasförmige Kraftstoffe wie beispielsweise Methan, Erdgas (CNG beziehungsweise verflüssigt als LNG, beispielsweise Propan), LPG, Propan-Butan-Gemisch, Ethan und/oder Wasserstoff oder aber flüssige Brennstoffe wie beispielsweise Benzin zum Einsatz. Die Stoffströme Brenngas und Luft sollten aus folgenden Gründen getrennt in die Vorkammer eindosiert werden: Das Vormischen und Vorhalten einer brennbaren Brenngas-Luft-Mischung für die anschließende Einblasung in die Vorkammer ist im Fahrzeug aus sicherheitstechnischen Gründen nachteilhaft. Die Entnahme der Brenngas-Luft-Mischung aus dem Saugrohr ist problematisch, da der Saugrohrdruck auch bei Aufladung nicht ausreicht für eine hinreichende Einblasung in die Vorkammer. Des Weiteren ist im Saugrohr bei Motoren mit Abgasrückführung schon Abgas zugemischt, sodass bei Einblasung dieses Abgas-Luft-Brennstoff-Gemisches keine Absenkung des Inertgasanteils in der Vorkammer ermöglicht ist.Gaseous fuels such as methane, natural gas (CNG or liquefied as LNG, for example propane), LPG, propane-butane mixture, ethane and / or hydrogen or preferably come as the said fuel and thus for example as the main fuel and for flushing the prechamber liquid fuels such as gasoline used. The material flows fuel gas and air should be metered separately into the prechamber for the following reasons: Premixing and provision of a combustible fuel gas / air mixture for the subsequent injection into the prechamber is disadvantageous in the vehicle for safety reasons. The removal of the fuel gas-air mixture from the intake manifold is problematic because the intake manifold pressure is insufficient even when charging for a sufficient injection into the prechamber. Furthermore, exhaust gas is already admixed in the intake manifold in engines with exhaust gas recirculation, so that when this exhaust gas air-fuel mixture is injected, no reduction of the inert gas portion in the prechamber is made possible.
Die Ströme Brenngas beziehungsweise Kraftstoff und Luft können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf folgende Weise in die Vorkammer eindosiert werden:
- - über zwei einzelne Ventile direkt
- - zwei getrennte Leitungen beziehungsweise Kapillaren mit jeweils einem vorgelagerten Dosierventil
- - durch eine einzelne in die Vorkammer mündende Kapillare beziehungsweise Leitung, die durch ein T-Verbindungsstück mit zwei Dosierventilen verbunden ist.
- - directly via two individual valves
- - Two separate lines or capillaries, each with an upstream metering valve
- - By a single opening into the antechamber capillary or line, which is connected by a T-connector with two metering valves.
Des Weiteren ist es vorzugsweise vorgesehen, den Kraftstoff und die Luft unter erhöhtem Druck in die Vorkammer einzubringen, sodass der beispielsweise als Brenngas ausgebildete Kraftstoff und die Luft mit einem Druck von mehr als 5 bar in die Vorkammer eingebracht werden. Die beiden einzelnen in die Vorkammer eintretenden Stoffströme Luft und Brenngas vermischen sich vorzugsweise in der Vorkammer zu einem stöchiometrischen Brenngas-Luft-Gemisch. Durch den jeweiligen hohen Druck von mehr als 5 bar wird über weite Bereiche ein Einströmen von Inertgasgemisch aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer verhindert. Erst wenn der Druck im Hauptbrennraum den Druck in der Vorkammer beziehungsweise den Einblasedruck, mit dem das Brenngas und die Luft in die Vorkammer eingebracht werden, übersteigt, gelangt Inertgas aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer. Dort mischt es sich mit dem dort vorgemischten stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch ohne Inertgas.Furthermore, it is preferably provided, the fuel and the air under increased pressure bring in the antechamber, so that the example formed as a fuel gas fuel and the air at a pressure of more than 5 bar are introduced into the prechamber. The two individual entering into the antechamber streams of air and fuel gas mix preferably in the antechamber to a stoichiometric fuel gas-air mixture. Due to the respective high pressure of more than 5 bar, an inflow of inert gas mixture from the main combustion chamber into the pre-chamber is prevented over a wide range. Only when the pressure in the main combustion chamber exceeds the pressure in the pre-chamber or the Einblasedruck, with which the fuel gas and the air are introduced into the prechamber, passes inert gas from the main combustion chamber in the antechamber. There it mixes with the premixed stoichiometric fuel-air mixture without inert gas.
Die bei Zündung vorliegende Gemischzusammensetzung in der Vorkammer zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass der Inertgasanteil in der Vorkammer gegenüber dem Inertgasanteil in dem Hauptbrennraum (Brennraum) reduziert ist. Je höher der bei Einblasung in die Vorkammer vorhandenen Luft- beziehungsweise Brenngasdruck, desto länger kann in die Kompressionsphase der Verbrennungskraftmaschine bei Aufwärtsbewegung des Kolbens in die Vorkammer eingeblasen und durch Verhinderung des Einströmens von Gemisch aus dem Hauptbrennraum der Inertgasanteil in der Vorkammer verringert werden.The composition of the mixture in the prechamber when it is ignited is preferably characterized by the fact that the proportion of inert gas in the prechamber is reduced compared to the portion of inert gas in the main combustion chamber (combustion chamber). The higher the existing during injection into the pre-chamber air or fuel gas pressure, the longer can be injected into the compression phase of the internal combustion engine during upward movement of the piston in the pre-chamber and reduced by preventing the influx of mixture from the main combustion chamber, the inert gas in the antechamber.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn, insbesondere bei einer mobilen Nutzfahrzeuganwendung, das Brenngas unter hohem Druck von beispielsweise mehr als 5 bar einer fahrzeugseitigen Gasversorgung entnommen wird. Die Luft wird beispielsweise als Druckluft unter hohem Druck aus einem fahrzeugseitig bereits vorhandenen Pneumatiksystem entnommen. Dieses Pneumatiksystem ist üblicherweise bei Nutzfahrzeugen für die Drucklufterzeugung wie beispielsweise für Bremse, insbesondere Betriebsbremse, Luftfahrwerk und/oder auch Türbetätigung bei Omnibussen vorhanden. Das pneumatische System umfasst beispielsweise einen von der Verbrennungskraftmaschine und/oder alternativ elektrisch angetriebenen Luftpresser, welcher beispielsweise als Kolbenverdichter beziehungsweise Kompressor ausgebildet ist. Ferner umfasst das pneumatische System beispielsweise einen Druckspeicher, in welchem die mittels des Luftpressers verdichtete Luft gespeichert werden kann. Übliche, von dem Luftpresser bereitgestellte Drücke liegen beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 15 bar bei einer maximalen Förderleistung in einem Bereich von 170 bis 380 Litern pro Minute bei Betriebsdruck. Der Anteil des von der Vorkammer benötigten Luftmassenstroms an der Förderleistung des Luftpressers beträgt abgeschätzt maximal weniger als 3 Prozent.It has proven to be particularly advantageous if, particularly in the case of a mobile commercial vehicle application, the fuel gas is taken off from a vehicle-side gas supply under high pressure of, for example, more than 5 bar. The air is taken, for example, as compressed air under high pressure from a vehicle already existing pneumatic system. This pneumatic system is usually present in commercial vehicles for compressed air generation such as for brake, in particular service brake, air suspension and / or door operation in buses. The pneumatic system includes, for example, one of the internal combustion engine and / or alternatively electrically driven air compressor, which is designed for example as a piston compressor or compressor. Further, the pneumatic system includes, for example, a pressure accumulator in which the air compressed by means of the air compressor can be stored. Typical pressures provided by the air compressor are, for example, in a range of from 10 bar to 15 bar inclusive at a maximum delivery rate in a range of 170 to 380 liters per minute at operating pressure. The proportion of the air mass flow required by the prechamber to the capacity of the air compressor is estimated at a maximum of less than 3 percent.
Für die Bildung des Brenngas-Luft-Gemisches in der Vorkammer kommen unterschiedliche Betriebsmodi in Abhängigkeit von jeweiligen Druckbereichen des Brenngases und der Luft infrage. Diese sind vorgesehen, da sich bei unterschiedlichen Drücken von Luft und Brenngas, vor allem bei einer gemeinsamen Zuleitung in die Vorkammer, die beispielsweise als Gasströme ausgebildeten Stoffströme gegenseitig beeinflussen beziehungsweise aufstauen können. Zudem kann über einen zusätzlichen Betriebsmodus mit der zugeführten Luft inertes Restgas aus der Vorkammer ausgeblasen werden. Bei dem dieselähnlichen Gas-Brennverfahrenskonzept mit Hochdruck-Direkteinblasung in die Vorkammer ist bei der fahrzeugseitigen Gasverzweigung eine Reduktion des Brenngasdrucks vor Einblasung in die Kammer vorteilhaft. In diesem Fall ist die Nutzung des fahrzeugseitigen Brenngassystems in Kombination mit einem zusätzlichen Druckregler für die Vorkammereinblasung dennoch möglich.For the formation of the fuel gas-air mixture in the pre-chamber different operating modes depending on the respective pressure ranges of the fuel gas and the air come into question. These are provided because at different pressures of air and fuel gas, especially in a common supply line in the antechamber, for example, the flows formed as gas streams can mutually influence or damming. In addition, inert residual gas can be blown out of the prechamber via an additional operating mode with the supplied air. In the diesel-like gas combustion process concept with high-pressure direct injection into the pre-chamber, a reduction of the fuel gas pressure before injection into the chamber is advantageous in the case of the vehicle-side gas branching. In this case, the use of the vehicle-side fuel gas system in combination with an additional pressure regulator for Vorkammereinblasung is still possible.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass die Fremdzündung in der Vorkammer bei gegenüber dem Hauptbrennraum reduziertem Inertgasanteil und dadurch verbesserten Zündbedingungen und erhöhtem Energiegehalt erfolgt. Der Einsatz erfolgt bei vorzugsweise Verbrennungskraftmaschinen für mobile und Off-Highway-Nutzfahrzeug-Anwendungen. Vorzugsweise erfolgt die Bereitstellung der als Druckluft ausgebildeten Luft von einem fahrzeugseitigen Pneumatiksystem. Die Bereitstellung des beispielsweise als Brenngas ausgebildeten Kraftstoffs erfolgt vorzugsweise von einem für den Betrieb der beispielsweise als Gasmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine schon vorhandenen vor einem Brenngas-System mit einem Druck von mehr als 5 bar.The method according to the invention is therefore characterized in particular by the fact that the spark ignition in the pre-chamber takes place at an inert gas fraction reduced in relation to the main combustion chamber and thus improved ignition conditions and increased energy content. The use is preferably in internal combustion engines for mobile and off-highway commercial vehicle applications. Preferably, the provision of the air formed as compressed air from a vehicle-side pneumatic system. The provision of the example formed as a fuel gas fuel is preferably carried out by a for the operation of, for example, designed as a gas engine internal combustion engine before a fuel gas system with a pressure of more than 5 bar.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Brenngas und die Luft parallel beziehungsweise synchron, das heißt gleichzeitig in die Vorkammer eingebracht, insbesondere eingeblasen, werden. Start und Ende der jeweiligen Einblasung können dabei jeweils unabhängig voneinander sein. Dieser Betriebsmodus zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Überlappung der Einblasedauern stattfindet. Die von den jeweiligen Drücken abhängige Einblasedauer der beiden Stoffströme bestimmt das Brenngas-Luft-Verhältnis in der Vorkammer. Die Einblasung der beiden Stoffe kann auch mehrfach hintereinander als Mehrfacheinblasung erfolgen. Durch Variation der jeweiligen Einblasedauern zueinander kann ein vorteilhaftes Gemischverhältnis in der Vorkammer durch ein Motorsteuergerät eingestellt werden. Dies gilt insbesondere für alle Varianten.To be particularly advantageous, it has been shown when the fuel gas and the air in parallel or synchronously, that is, at the same time introduced into the prechamber, in particular blown. Start and end of the respective injection can each be independent of each other. This operating mode is characterized in particular by the fact that an overlap of the injection periods takes place. The injection pressure of the two streams, which depends on the respective pressures, determines the fuel gas / air ratio in the prechamber. The injection of the two substances can also be done several times in succession as Mehrfacheinblasung. By varying the respective injection periods to each other, an advantageous mixture ratio in the antechamber can be adjusted by an engine control unit. This is especially true for all variants.
Alternativ ist es denkbar, dass das Brenngas und die Luft zeitlich getrennt voneinander in die Vorkammer eingebracht werden. Hierbei wird beispielsweise zunächst das Brenngas und anschließend die Luft mit Einblasende vor Zündzeitpunkt für eine hinreichende Gemischbildungszeit eingeblasen. Dabei ist der Druck der Luft größer als der Druck des Gases, um gegen einen in der Vorkammer aufgestauten Gasdruck einblasen zu können. Dieser Betriebsmodus zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Einblasung der Luft erst stattfindet, nachdem die Einblasung des Kraftstoffes (Brenngas) abgeschlossen ist. Das Verhältnis der beiden Einblasedauern zueinander bestimmt das Brennstoff-Luft-Verhältnis in der Vorkammer. Durch Variation der jeweiligen Einblasedauern zueinander kann ein vorteilhaftes Gemischverhältnis in der Vorkammer durch ein Motorsteuergerät eingestellt werden. Die sequentielle Einblasung der beiden Stoffe (Kraftstoff und Luft) kann auch mehrfach hintereinander als Mehrfacheinblasung erfolgen. Alternatively, it is conceivable that the fuel gas and the air are introduced separately from each other in the antechamber. In this case, for example, first the fuel gas and then the air is blown with Einblasende before ignition for a sufficient mixture formation time. The pressure of the air is greater than the pressure of the gas in order to be able to blow against a gas pressure accumulated in the pre-chamber. This operating mode is characterized in particular by the fact that the injection of air takes place only after the injection of the fuel (fuel gas) is completed. The ratio of the two injection periods to each other determines the fuel-air ratio in the prechamber. By varying the respective injection periods to each other, an advantageous mixture ratio in the antechamber can be adjusted by an engine control unit. The sequential injection of the two substances (fuel and air) can also be done several times in succession as Mehrfacheinblasung.
Ferner ist es im Rahmen des getrennten Einblasens des Brenngases und Luft möglich, zuerst die Luft und anschließend das Brenngas mit Einblasende vor Zündzeitpunkt für eine hinreichende Gemischbildungszeit durchzuführen. Dabei ist der Druck des Brenngases größer als der Druck der Luft, um gegen einen in der Vorkammer aufgestauten Druck einblasen zu können. Dieser Betriebsmodus zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Einblasung des Brenngases erst startet, nachdem die Einblasung der Luft abgeschlossen ist. Das Verhältnis der beiden Einblasedauern zueinander bestimmt das Kraftstoff-Luft-Verhältnis in der Vorkammer. Durch Variation der jeweiligen Einblasedauern zueinander kann ein vorteilhaftes Gemischverhältnis in der Vorkammer durch das Motorsteuergerät eingestellt werden. Die sequentielle Einblasung der beiden Stoffe kann auch mehrfach hintereinander als Mehrfacheinblasung erfolgen. Ferner ist es denkbar, dass Luft in die Vorkammer nach der Hauptverbrennung, das heißt nach dem oberen Totpunkt, eingebracht wird, um vor erneutem Befüllen der Vorkammer Inertgas aus der Vorkammer auszublasen.Furthermore, in the context of the separate blowing of the fuel gas and air, it is possible to first carry out the air and then the fuel gas with Einblasende before ignition for a sufficient mixture formation time. The pressure of the fuel gas is greater than the pressure of the air in order to be able to blow against a pressure accumulated in the pre-chamber. This operating mode is characterized in particular by the fact that the injection of the fuel gas only starts after the injection of air has been completed. The ratio of the two injection periods to each other determines the fuel-air ratio in the prechamber. By varying the respective injection periods to one another, an advantageous mixture ratio in the antechamber can be set by the engine control unit. The sequential injection of the two substances can also be done several times in succession as Mehrfacheinblasung. Furthermore, it is conceivable that air is introduced into the prechamber after the main combustion, that is, after the top dead center, in order to blow out inert gas from the prechamber before refilling the prechamber.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird; -
2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform; -
3 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform; -
4 ein Diagramm zum Veranschaulichten einer ersten Ausführungsform des Verfahrens; -
5 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens; und -
6 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer dritten Ausführungsform des Verfahrens.
-
1 a schematic representation of an internal combustion engine according to a first embodiment, which is operated by a method according to the invention; -
2 a schematic representation of the internal combustion engine according to a second embodiment; -
3 a schematic representation of the internal combustion engine according to a third embodiment; -
4 a diagram for illustrating a first embodiment of the method; -
5 a diagram illustrating a second embodiment of the method; and -
6 a diagram illustrating a third embodiment of the method.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
Dem Zylinder
Um nun einen besonders emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
Um das Kraftstoff-Luft-Gemisch besonders gut zünden und somit eine besonders hohe Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine
Bei der in
Das Kraftfahrzeug umfasst ferner ein Pneumatiksystem
Anhand von
Auch bei einer in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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